一种新型点火模式—微波谐振等离子体点火的试验研究

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1、一种新型点火模式——微波谐振等离子体点火的试验研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：汽车工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：黄健指导教师：王志副研究员二○一五年五月ExperimentalInvestigationofMicrowaveResonancePlasmaIgnitionoftheMethane-airMixtureThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinPowerEngineeringandEngine

2、eringThermophysicsbyHuangJianThesisSupervisor:AssociateProfessorWangZhiMay,2015摘要摘要伴随全球能源短缺和环境恶化，节能和环保已成为汽车技术发展的两大主题。传统火花塞点火技术一方面增大了汽油机循环波动率，另一方面因单点点火燃烧模式易造成爆震，从而制约了压缩比的提高。相比于传统火花塞火花放电产生平衡态等离子体点火模式，微波产生的非平衡态等离子体有助于提高点火燃烧性能。依托国家自然科学基金项目“内燃机新型点火模式——微波点火的着火燃烧机理研究”，本文分别采用可视化直拍图像、燃烧压力测试和尾气检测分析等研究手段，从低

3、温低压定容燃烧弹试验平台到高温高压快速压缩机试验平台，围绕微波谐振等离子体点火技术展开了基础性和创新性研究。研究中提出了内燃机微波谐振等离子体点火新方法，指将特定频率的脉冲微波馈入特定尺寸结构的燃烧室，该微波频率与燃烧室的谐振频率相匹配，从而使微波在燃烧室内产生谐振，在全局分布电磁场，并在较强的电场区域诱发非平衡态等离子体，继而击穿点燃可燃混合气，使之燃烧。为了开展微波点火燃烧的基础研究，在低温低压定容燃烧弹试验平台中，优化设计了微波谐振腔和微波塞的尺寸结构，高速直拍了微波点火和火花点火燃烧过程的异同，对比分析了两种点火技术在不同压力、不同当量比下混合气的燃烧排放特性。可视化图像结果表明

4、：相比于传统火花点火放电技术，微波谐振放电能够产生大体积的等离子体、生成较大的初始火核，具备实现大体积点火燃烧的优势；燃烧压力数据分析表明：在脉冲微波能量和火花放电能量基本一致的条件下，微波点火技术可以有效拓宽可燃混合气的稀浓燃极限、增强燃烧稳定性和提高燃料能量利用率；尾气检测分析结果表明：微波点火技术能够改善燃烧效率，使燃烧更加完全，此外研究发现天然气浓燃燃烧时可产生大量氢气和一氧化碳改质混合气，因而该技术也可以作为实现天然气改质制氢的新型技术。微波点火拓展稀燃极限上述研究已证明，本文进一步探索微波点火控制HCCI燃烧的可能性。在高温高压快速压缩机试验平台中，依据谐振腔原理，设计特定尺

5、寸的燃烧室和压缩腔，并在不同时刻向含有两阶段放热的正庚烷均质混合压燃燃烧（HCCI）过程馈入不同频率和不同功率的脉冲微波，以期实现控制HCCI燃烧着火时刻的目的。结果表明，对于相对燃空比为0.7混合气，馈入频率为2450MHz3的100mJ微波能量在200cm的燃烧室空间谐振尚对HCCI燃烧没有明显影响。关键词：微波谐振；等离子体；点火燃烧；定容燃烧弹；快速压缩机IAbstractAbstractThesparkignitionsysteminaccompanywiththethermalplasmaastheconventionalignitiontechniquedatesbackm

6、orethanahundredyearstotheadventofinternalcombustionengines(ICEs).However,withthestringentregulationsonengine-relatedemissionsandincreasingdemandsforhigherthermalefficiency,theconventionalsparkignitionfacestwodifficultproblems:oneisthatcombustionstabilityforthegasolineenginewillbepoorduetothemisfi

7、re,andtheotheristhattheengineknockislikelytooccurbecauseofthesingle-pointsparkignitionandthesubsequentflamepropagation,thussuppressingtheincreaseofthecompressionratio.Comparedwiththethermalplasmacausedbytheconventional